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什么是飞轮储能?我国飞轮储能市场渗透率处于低位,未来市场空间巨大

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据中国能源研究会储能专委会数据,截止至2021年底,全球飞轮储能在储能装机中占比仅0.22%,市场渗透率仍处于低位,未来市场空间巨大。


近日日,飞轮储能再获关注。


据报道,全球首个二氧化碳+飞轮储能示范项目开始试运行,该项目坐落于四川德阳,占地面积约为两个半足球场大小,由东方汽轮机、百穰新能源、西安交通大学能源与动力工程学院、北京泓慧国际能源技术发展有限公司共同打造。


据悉,该项目利用25万立方米的二氧化碳作为循环工质进行充放电,能在2小时内存满2万度电,这将足够60多个家庭使用1个月。


另外,在双向电机的配合下,这个巨型充电宝中的“飞轮”能实现动能和电能的互相转换,响应速度达到了毫秒级,整个“充放电”过程,都不会用到化石燃料,也不会产生固体废弃物。


8月27日至29日,2022世界清洁能源装备大会在四川省德阳市举办,这个全球首个“二氧化碳+飞轮储能”示范项目亮相世界。


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什么是飞轮储能?有啥优势?


根据技术特点的不同,储能可划分为机械储能(如抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能等)、电化学储能、电磁储能,即飞轮储能是机械储能的一种。



资料显示,飞轮储能是一种比较传统的物理储能方式,就是利用高速旋转的飞轮将能量以动能的形式储存起来,当能量紧急缺乏或需要时,飞轮减速运行,将存储的能量释放出来。


据国盛证券研报,飞轮储能技术与其他储能技术相比,它的优势在于:


1)储能密度高,瞬时功率大。在短时间内可以输出更大的能量,有利于电磁炮的发射和车辆的快速启动。


2)寿命周期长。


在整个寿命周期内,不会因为过充电或过放电而影响储能密度和使用寿命,而且飞轮也不会受到损害。其寿命主要取决于飞轮电池中电子元器件的寿命,一般可长达20年左右。


3)容易测量放电深度和剩余“电量”。


4)充电时间短:一般几分钟内就可以将电量充满。


5)能量转换效率高:一般可达90%左右,这意味着有更多可利用的能量、更少的热耗散,高于化学电池的转换效率。


6)绿色环保,无污染。


02


飞轮储能的发展历史


人类对飞轮的认识最早可追溯到2000多年前陶工所用的陶轮。在古代美索不达米亚,人们第一次使用飞轮和纺锤来制造线。后来,飞轮在工业革命中发挥了重要作用,瓦特发明的蒸汽机也使用了飞轮原理,活塞式往复运动,往外时驱动轮走,往回时使轮属于悬空状态,为了让这部分能量移动的速度保持均匀,主动轮必须非常大,从而能利用惯性以保证匀速向前。



第一个专门用于能源储存的飞轮是由约翰·哈尔在1883年为军事应用而建造的,被安装在鱼雷上作为推进动力源并提供方向平衡。20世纪40年代,一家瑞士公司依靠电能与机械能的相互转换使高转速的陀螺成为了储能设备。其将飞轮的概念用于交通运输,推出一款含有飞轮的无碳公交车,当飞轮完全充电后大约每分钟3000转,公交车可以以50至60公里/小时的速度行驶约6公里。


进入20世纪90年代之后,由于电路拓扑思想的发展,碳纤维材料的广泛应用,以及全世界范围对污染的重视,飞轮储能受到了各个国家的广泛重视,这项储能技术在过去的几十年间也有了长足发展。


国外飞轮储能技术主要集中在飞轮调频电站、UPS等领域,其中极具代表性的有Beacon Power(灯塔电力公司)和Active Power(艾泰沃公司)。


目前,国内飞轮储能正处于广泛实验阶段,小型样机已经研制成功,已有多个示范项目出现,现在正处于商业化前期。2022年4月11日,2台1兆瓦飞轮储能装置在青岛地铁3号线万年泉路站完成安装调试,并顺利并网应用,这是我国轨道交通行业首台具有完全自主知识产权的兆瓦级飞轮储能装置。


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几大典型应用场景


据国盛证券研报,飞轮储能因其功率密度高、效率高、寿命长和无污染的优势,目前广泛应用于大功率、响应快、高频次的场景,典型市场包括轨道交通、电网调频、UPS不间断电源等。


1)轨道交通节能装备:飞轮储能功率密度高、效率高的优点与轨道交通系统完美契合,其节能效果远超其他节能装备。


在地铁等城市轨道交通的运营成本中,电费占40%左右,列车牵引动力占地铁运营总电力成本的45%-60%,其中17%为可回收的再生制动能量,而目前城市轨道交通回收的制动能量普遍采用电阻放热方式消耗,存在资源浪费和冲击电网的问题。采用飞轮储能装置,可实现牵引能耗节约15%。


据央视新闻4月11日报道,湘电股份生产的国内轨道交通行业首台具有完全自主知识产权的兆瓦级“飞轮储能装置”在青岛地铁3号线投入使用。


2)电网调峰调频:飞轮储能功率大、响应速度快、寿命长,适用于电网调峰调频。


海外部分国家已将飞轮储能系统应用于电网调峰调频,我国在《“十四五”新型储能发展实施方案》明确提出“到2025年兆瓦级飞轮储能技术应逐步成熟”、“重点建设飞轮储能技术试点示范项目”。


目前多地已启动电网调峰调频飞轮储能项目,在政策的支持下,国盛证券称飞轮储能应用于电网调峰调频的节奏有望持续加快。


3)UPS不间断电源。UPS不间断电源在电力系统中,存在大量对电能质量要求高的用户,例如半导体制造业、银行的计算机系统、通信系统、医院的精密医疗设备等。当外部电网中断或供电质量异常时,为确保这些用户连续可靠供电,可配备飞轮储能UPS不间断电源。


04


全球格局


目前全球飞轮储能技术的研发力量主要集中在美国、欧洲和日本,呈现三足鼎立的局面。



我国自20世纪80年代开始关注飞轮储能技术,目前我国的飞轮储能在发电、石油钻井、导航等领域已取得了诸多实际应用示范的成功经验。


8月18日印发的《科技支撑碳达峰碳中和实施方案(2022—2030年)》中提出,要研发飞轮储能等高效储能技术;《“十四五”新型储能发展实施方案》也要求,“到2025年兆瓦级飞轮储能技术应逐步成熟”、“重点建设飞轮储能技术试点示范项目”。


据中国能源研究会储能专委会数据,截止至2021年底,全球飞轮储能在储能装机中占比仅0.22%,市场渗透率仍处于低位。据《2022储能产业应用研究报告》显示,2021年我国43.44GW的装机规模中,飞轮储能装机占比则不到0.44%,当前飞轮储能的市场规模较小,相比国外有较大提升空间。


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市场现状


据《2022储能产业应用研究报告》显示,2021年全球储能市场装机功率为205.3GW,其中,飞轮储能装机仅占0.47%;而在中国 43.44GW的装机规模中,飞轮储能装机占比则不到0.44%。截至 2021 年,国内的飞轮储能技术水平还未完全推广开来,相比国外具有极大的提升空间。



飞轮储能可应用于轨道交通、电网调频、UPS 不间断电源等领域。


1)轨道交通节能装备:在地铁等城市轨道交通的运营成本中,电费占40%左右,采用飞轮储能装置可实现牵引能耗节约15%。飞轮储能功率密度高、效率高的优点与轨道交通系统完美契合,其节能效果远超其他节能装备。2022年4月 ,我国首台完全自主知识产权的兆瓦级“飞轮储能装臵”在青岛地铁3号线投入使用。据国盛证券估算轨道交通再生能量回收领域,飞轮储能的潜在市场规模预估可达千亿级。


2)电网调峰调频:飞轮储能功率大、响应速度快、寿命长,适用于电网调峰调频。海外部分国家已将飞轮储能系统应用于电网调峰调频,我国在《“十四五”新型储能发展实施方案》明确提出“到 2025 年兆瓦级飞轮储能技术应逐步成熟”、“重点建设飞轮储能技术试点示范项目”。在政策的支持下,飞轮储能应用于电网调峰调频的节奏有望持续。


最后


高功率密度、长寿命、高效率和无碳的特性,作为被国家列入“十四五”重点发展的新型储能技术之一,国内飞轮储能落地项目也从千瓦级、兆瓦级走向了百兆瓦级,已成为储能行业一支不可忽视的力量,必定具有广阔的应用前景,在未来以新能源为主体的新型电力系统里占据一席之地。


来源:碳榕数科,陈晓群,海涵财经

注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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